電工實驗室恒流電子負載設計與實現

謝 莉，蔣 偉，吳 松，闞世奇

(揚州大學 能源與動力工程學院，江蘇 揚州 225127)

恒流電子負載是電類實驗教學必需的設備。實驗教學要求：電子負載應該能實現電流和電壓調整，保證相應情況下電流和電壓的穩定，能很好地實現參數調整和顯示，以適應各種實驗項目和實驗內容的需要[1]；具有完備的保護功能，在發生短路或過載時不損壞電源和電路；成本低、損壞率低、維修簡便。

由于電路理論、電子技術和電工學等實驗教學具有學生人數多、儀器設備使用率高、學生操作不熟練等特點，學生操作不當經常會造成電源輸出端短路和過載，導致電源損壞，影響實驗的進行。為了滿足上述要求以及提高電工實驗室的利用效率，系統采用了模擬器件為控制核心、單片機為人機接口控制器的模數混合控制方案，設計了最大工作電壓和電流分別為18 V、1 A可調恒流電子負載[2]。

1 電子負載系統方案設計

1.1 電子負載方案論證

電子負載按能量吸收方式可以分為能耗式與回饋式，按照控制形式可以分為開關式與線性式。由于回饋式電子負載多用于大功率場合，且控制方式復雜、成本高，故不在考慮之列[3-5]。

分別針對能耗式電子負載不同設計方案中主電路的元件數量、對被測電路的影響、系統控制特性等進行了比較，如表1所示。開關型電子負載的主要問題在于：(1)無源器件數量多，影響到系統的可靠性；(2)開關紋波導致負載電流紋波且引入噪聲；(3)高階系統，響應慢。線性負載工作于MOSFET器件的飽和區，無開關紋波，而且控制對象在小信號意義上是零階系統，利于控制系統設計。

表1 能耗式負載性能比較

綜上所述，以MOSFET為負載進行線性調節，可以模擬理想恒流負載工作狀態，且是一種可靠性高、成本低的方案。

1.2 電子負載系統設計

電子負載系統由功率級模塊、本地控制器模塊、系統控制器模塊、輔助電源模塊、人機接口模塊組成，如圖1所示。

圖1 基于線性MOSFET的模數混合方案

功率器件采用IXYS公司的IXTA-TP80N10T，該器件安全工作區(SOA)寬，可以滿足最大18 V、1 A負載條件，且額定電流大，在誤操作情況下不易燒壞?？紤]到電路雜散電感的影響，在MOSFET的漏極和源極并入1 μF的薄膜電容用以吸收器件兩端可能出現的尖峰電壓。

選取了2片德州儀器的LM324(模擬控制器內)集成運放實現本地控制功能。一片LM324完成采樣電流放大、濾波、電流誤差放大功能；另外一片運放完成負載電壓采樣、濾波、電壓誤差放大功能，并通過外部電路進行過壓的甄別。

由于系統需要進行恒流值設定和實現，且無需高速數字運算，所以使用了主頻為8 MHz的MSP430F169。這款單片機的數字I/O高達48個，同時擁有豐富的外設，適合與多種設備進行接口，也便于本設計的進一步擴展[6]。

鍵盤模塊的方案采用智能便攜設備中的功能鍵的思路，采用最少按鍵實現：分別為“參考值上調”、“參考值下調”、“開/關”鍵。同時，通過MSP430F169的P1端口將數據傳給液晶顯示屏顯示當前負載電流和電壓。另外，系統中加入了LED顯示，分別顯示輔助電源供電正常(藍光)、系統啟動(藍光)和過壓顯示(紅光)。

系統的輔助電源需要為運算放大器、單片機、顯示屏、指示燈供電，需要提供+15 V，+5 V，+3.3 V電壓等級，設計中使用實驗室常用的線性電源進行24 V直流供電，采用線性調壓模塊進行逐級降壓獲得各電壓等級。

2 電子負載控制設計與實現

2.1 本地控制器設計

本地控制目標為帶過壓保護的恒流。先對恒流模式進行設計，負載電流經過采樣電阻、正比例放大環節、濾波，與給定參考值進行比較后經過一個3極點2零點的PI調節器，輸出一個穩態值作為MOSFET的門控電壓，從而得到穩定的負載電流。

設計要求系統能夠跟蹤給定值且靜差為零，所以需要對負反饋控制系統進行分析。根據MOSFET數據表中的輸入特性曲線，可以得到恒流控制下的MOSFET模型為一個比例環節，為零階系統；考慮到MOSFET柵極驅動電阻Rg和柵源極寄生電容Cgs，輸入電壓對負載電流的傳遞函數G(s)為截止頻率很高的一階系統，如下式所示：

(1)

式中，k1為MOSFET的靜態傳遞系數。

電流反饋由電阻采樣，回路傳遞函數H(s)為

(2)

式中，Rs為采樣電阻，k2為運放電器增益，R14、C3為一階RC濾波器的電阻和電容。

PI調節器傳遞函數C(s)為

運放電路中的R和C配置相應的零極點。

利用Matlab進行控制系統設計[7-8]，得到如圖2所示的系統開環傳遞函數波特圖。

圖2 系統傳遞函數波特圖

由圖2可知，系統幅值裕量為-30 dB，相位裕量約為-90°，穿越頻率為6 kHz，滿足零穩態誤差和系統快速性的要求[9-10]。

電壓控制的目的是保護系統，故對其控制系統的要求不高，系統采用了單極點、單零點的PI調節器。采樣電壓經過跟隨器、PI調節器輸出作為MOSFET管的門極輸入，當采樣電壓大于18 V時，經PI調節改變MOSFET驅動電壓，從而實現過壓保護。

電壓和電流控制回路的整合方式如圖3所示，根據誰低誰輸出的原則，可以限制恒壓的上限為18 V，18 V以下為任意恒流控制。

圖3 帶有過壓保護的恒流模式選擇電路

2.2 人機接口程序設計

系統流程圖如圖4和圖5所示，主程序中完成系統的初始化、鍵盤檢測、顯示。利用定時器產生100 ms的中斷，在定時器中斷中啟動AD轉換[11-12]，AD中斷中取得寄存器中的電壓電流值，并進行移動窗濾波，結果存放在指定變量中待顯示子程序使用。

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷程序流程圖

2.3 系統樣機及實驗結果分析

系統樣機如圖6所示，系統結構模塊化，接線簡單，易于實驗室日常維護。經測試，系統可以以10 mA的步長進行0～1 A的負載電流控制，負載電流穩態誤差小于1%，紋波小于0.5%。

圖6 電子負載樣機

3 結束語

系統設計了以低成本模擬電路為控制核心，以MSP430F169單片機為人機接口控制器的恒流電子負載，實現了電子負載的電流精確可控和過壓保護，很好地實現了系統參數設置和顯示，滿足了電工實驗室常規實驗的要求。

[1] 蘇維嘉,王旭輝.基于MSP430單片機的數據采集系統[J].現代電子技術,2007(23):117-119.

[2] 韓勇鵬,霍利鋒.基于MSP430F169的最小系統設計[J].山西農業大學學報,2007,6(6):216-218.

[3] 李秀麗.基于MSP430單片機的數據采集傳輸系統的設計[J].機械工程與自動化,2011(4):163-166.

[4] 童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社,2006.

[5] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社,2007.

[6] 秦龍.MSP430單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京：電子工業出版社,2006.

[7] 吳文進.自動控制原理課程的MATLAB輔助教學[J].安慶師范學院學報：自然科學版,2010,16(1):114-116.

[8] 吳偉麗.基于MATLAB語言的自動控制系統設計與校正研究[J].中國電力教育,2009(6):140-141.

[9] 劉軍,劉學軍.MATLAB在電力系統分析中的應用[J].電力系統及其自動化學報,2000,12(2):23-25.

[10] 陳茜.實驗教學法在自動控制原理“校正原理”中的應用探討[J].價值工程,2011(32):175-176.

[11] 黃閩海.LM324四運放實用電路的設計 [J].福建輕紡,2002(8):26-29.

[12] 郭志宏,徐迅成,范興美.MSP430單片機實現斜率A/D轉換的一種方法[J].電子工程師,2008,34(6):47-50.